氧化鋁廠中變頻器的選擇及使用

李明

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院,貴州 貴陽 550000)

前言

解決好氧化鋁廠設(shè)備運行中存在嚴(yán)重的能源浪費問題，是增強企業(yè)競爭力的要求，更是創(chuàng)建資源節(jié)約型社會的國策的要求。變頻調(diào)速技術(shù)是風(fēng)機、水泵等設(shè)備調(diào)速技術(shù)發(fā)展的必然方向。對設(shè)備采用變頻技術(shù)，可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)設(shè)備的故障率，延長設(shè)備的使用壽命，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益和社會、環(huán)境效益，提高企業(yè)的綜合競爭力和發(fā)展后勁。

1 變頻器的選擇

1.1 調(diào)速對象的基本情況

1.1.1 負(fù)載力矩

在工藝上提出要調(diào)速的負(fù)荷后，首先要了解這種負(fù)荷的力矩特性，力矩特性不同選擇變頻器的種類就不一樣。電動機的機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性根據(jù)下列關(guān)系式?jīng)Q定:

P=Tn/9550

式中:P-電動機功率，kW；T-轉(zhuǎn)矩(N.m)；n-轉(zhuǎn)速(r/min)。

圖1 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與負(fù)載種類示意圖

轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系根據(jù)負(fù)載種類大體可分為3種(見圖1)：(1)即使速度變化轉(zhuǎn)矩也不大變化的恒轉(zhuǎn)負(fù)載，如圖1(a)所示。此類負(fù)載如傳送帶、起重機、臺車、擠壓機、壓縮機、羅茨風(fēng)機等。(2)隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速的平方減小的負(fù)載，如圖1(b)所示。此類負(fù)載如風(fēng)機、各種液體泵等。(3)轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)矩越小的恒功率負(fù)載，如圖1(c)所示。此類負(fù)載如扎機、機床主軸、卷取機等。

1.1.2 電機型式與參數(shù)

電機型式不一樣選擇變頻器也不一樣，大體分為鼠籠型、繞線型兩種，應(yīng)用場合有高速與低速之分，聯(lián)軸器有齒輪傳動，還有防爆、制動等。另外，還要了解電機的相數(shù)、轉(zhuǎn)速、額定電壓和電流等。

1.1.3 調(diào)速參數(shù)

首先要了解調(diào)速范圍，從頻率上分0～400Hz與 50～2000Hz，凡是在 50Hz額定頻率以上調(diào)節(jié)的多半為恒功率負(fù)載。其次是了解調(diào)速精度，調(diào)節(jié)響應(yīng)的快慢。

1.1.4 電源

要了解變頻器接入配電網(wǎng)變壓器容量以及電壓不平衡率；接入變頻器的同一電源母線上是否接有功率因數(shù)補償電容及其他整流裝置；接入變頻器的同一電源母線上是否接有其也怕干擾的電子設(shè)備。

1.2 變頻器的選擇

變頻調(diào)速技術(shù)近年在低壓風(fēng)機水泵類機械中得到廣泛的應(yīng)用，同時交流變頻調(diào)速技術(shù)也正朝著大容量，高電壓和高性能的方向發(fā)展。在氧化鋁行業(yè)，大量的大功率風(fēng)機和泵類設(shè)備目前仍采用通過擋板、閥門等方式調(diào)整供應(yīng)流量，由于擋板、閥門等方式是通過提高管道阻力來達(dá)到降低流量的目的的，應(yīng)用中造成了大量的能源浪費，甚至影響企業(yè)的競爭能力。

1.2.1 變頻器分類

變頻器可分為交-直-交變頻和交-交變頻兩大類。

1.2.2 變頻器型式的選擇

(1)通用型：這類變頻器主要用于恒轉(zhuǎn)矩、恒功率負(fù)載。如國產(chǎn)的JP6C-T9型，日本產(chǎn)的FRENIC500G9S型。(2)節(jié)能型：這類變頻器主要用于風(fēng)機泵等平方減負(fù)載。如國產(chǎn)的JP6C-J9型，日本產(chǎn)的FRENIC500P9S型。其起動轉(zhuǎn)矩只有50%以上，制動轉(zhuǎn)矩20%以上，專用于風(fēng)機、泵節(jié)能。(3)專用型：這類變頻器主要用于電梯、軸承磨床等特殊負(fù)載。

1.2.3 變頻器控制方式選擇

根據(jù)控制對象要求的調(diào)速范圍，調(diào)速精度，響應(yīng)速度來選擇變頻器的控制方式。變頻器的控制方式目前大致有4種：(1)最基本的V/f常數(shù)控制方式。這種方式是開環(huán)控制，維持磁通為常數(shù)，用正弦波脈寬調(diào)制SP2WM控制，可用于平方減轉(zhuǎn)矩負(fù)載，或恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，低速范圍要采取補償，調(diào)速范圍窄，調(diào)速精度不高，響應(yīng)慢。(2)轉(zhuǎn)差頻率控制。轉(zhuǎn)差頻率控制是檢出電動機的轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的頻率與轉(zhuǎn)差頻率的和來給定變頻器的輸出，能控制與轉(zhuǎn)差率有直接關(guān)系的轉(zhuǎn)矩、電流。這種控制比V/f控制的調(diào)速范圍寬一些，精度高一些，響應(yīng)快一點，但易受干擾，穩(wěn)定性較低。(3)矢量控制。這種控制比前兩種控制完善的多，調(diào)速范圍寬，低速范圍起動力矩高，精度高達(dá)0.01%，響應(yīng)很快，高精度調(diào)速都采用矢量控制變頻器SVPWM。(4)轉(zhuǎn)矩矢量控制。這種控制方式是目前國際上最先進的控制方式，它不同于前3種，前3種是模擬直流電動機的參數(shù)，進行保角變換而進行調(diào)節(jié)控制的，轉(zhuǎn)矩矢量控制是直接取交流電動機參數(shù)進行控制，控制簡單，精確度要求處理速度非?？?，處理器DSP及很多硬件都是高速器件，價格較貴，目前國外一些公司有此產(chǎn)品，但未能推廣。

1.2.4 變頻器參數(shù)選擇

根據(jù)電動機的電壓、電流、功率選擇變頻器的參數(shù)。

(1)電流。電動機的額定電流是指正弦50Hz電源的電流，而變頻器標(biāo)定的額定電流輸出是指鋸齒正弦包絡(luò)線的電流，而且這個電流是按4極電動機計算的，因此在電流選擇時必須考慮I變=1.1I電，對于多極電動機必須檢驗變頻器的電流是否足夠。

(2)電壓。有單相220V，三相380V等的變頻器，也有高壓6kV/10kV變頻器，這要根據(jù)電動機的電壓而定。

(3)現(xiàn)在變頻器表示的容量，是指適配電動機容量，但要根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)而定，最好采用大一級的容量。

1.2.5 選擇變頻器用的逆變元件

變頻器最關(guān)鍵的逆變元件與變頻器的性能密切相關(guān)。現(xiàn)在市面上國外生產(chǎn)的變頻器逆變元件有以下幾種：

(1)逆變元件為電力晶體管的GTR。這種逆變元件是電流驅(qū)動、發(fā)熱量大、體積大、噪音大、調(diào)制頻率低，但價格較便宜，是淘汰產(chǎn)品，但在市面上流行。

(2)絕緣柵極雙極晶體管IGBT。這種逆變元件為電壓驅(qū)動、發(fā)熱小、體積小、調(diào)制頻率高，噪音低，是較為理想的產(chǎn)品，也是目前較為先進的商品。

(3)逆變元件智能功率模塊IPM。這種逆變元件在TGBT的芯片上把驅(qū)動電路和保護電路集成在一個芯片上的智能化功率模塊 (IPM)，可靠性高、體積很小、噪音低、是世界最先進產(chǎn)品，但目前功率只做到55kW。

2 存在問題

無論哪種型式的變頻器所提供的變頻電源，都有大量的高次諧波，使電機處于非正弦波和非工頻下運行，而以往的電機又是按正弦波、工頻電源設(shè)計的，因此在變頻器電機系統(tǒng)中運行的電機便出現(xiàn)了許多問題。

2.1 損耗增加、效率降低。定子電流中迭加的高次諧波使定子銅損增加，而轉(zhuǎn)子導(dǎo)條尺寸較大，轉(zhuǎn)子中的高頻電流所引起的集膚效應(yīng)可使轉(zhuǎn)子電阻的損耗增加許多倍，增加了轉(zhuǎn)子銅損。與此相應(yīng)，電機的效率也有所降低，輸出功率有所減少。據(jù)1臺110kW，4極電機溫升實驗表明，在溫升相同時，逆變的供電輸出功率為一般電機的87%。

2.2 轉(zhuǎn)矩脈沖、振動、噪聲增加。電機齒槽引起的空間高次諧波和變頻器波形畸變產(chǎn)生的時間高次諧波相互迭加，使電機氣隙中的磁通含有各種高次諧波，這些諧波將使電機的輸出轉(zhuǎn)矩脈動的影響更為明顯，致使電機轉(zhuǎn)速不均而有步進感。當(dāng)電機的某些部分由于高次諧波轉(zhuǎn)矩的激發(fā)而發(fā)生局部共振時，將導(dǎo)致電機振動、噪聲增加。

2.3 電機溫升高。一般電機的冷卻都是通過與轉(zhuǎn)子同軸的風(fēng)扇實現(xiàn)的。而變頻調(diào)速的電機在低速運轉(zhuǎn)時，冷卻效果降低，致使電機溫升明顯偏高，甚至?xí)^F級絕緣的允許溫升。

2.4 電機過電壓。逆變器換流時可產(chǎn)生沖擊尖峰電壓，這將引起電機繞組的過電壓。

3 結(jié)語

如何解決設(shè)備運行中存在的嚴(yán)重能源浪費，不但是增強企業(yè)競爭力的要求，更是創(chuàng)建資源節(jié)約型社會的要求。變頻調(diào)速技術(shù)是風(fēng)機、水泵等設(shè)備調(diào)速技術(shù)的首選，也是該類技術(shù)發(fā)展的必然方向。隨著技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能愈加穩(wěn)定，變頻器在氧化鋁生行業(yè)的應(yīng)用也愈加廣泛，節(jié)能的效果更加明顯。對國家實行的節(jié)能降耗政策有著推進和促進作用。

[1]楊世勇.變頻器在氧化鋁廠中的應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表，2009-07-25.